[논문]S20C 리벳된 Al5052와 SPFC980Y 강철 resistance-element 점용접 접합부의 미세조직 발달 및 고강도-부식 저항 특성

백승엽; 송종호; 박승연; 송일종; 이현철

doi:10.5762/kais.2021.22.2.794

S20C 리벳된 Al5052와 SPFC980Y 강철 resistance-element 점용접 접합부의 미세조직 발달 및 고강도-부식 저항 특성
Corrosion-Resistant High Strength S20C Element Riveted Al5052-SPFC980Y Steel Joints by Resistance Element Spot Welding 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.2, 2021년, pp.794 - 801

백승엽 (한국자동차연구원 소재융합연구센터) , 송종호 (한국자동차연구원 소재융합연구센터) , 박승연 (한국자동차연구원 소재융합연구센터) , 송일종 ((주)현대하이텍 기술연구소) , 이현철 (한국자동차연구원 소재융합연구센터)

초록
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이 연구는 electric resistance element spot welding 프로세스를 도입하여 알루미늄 합금-강철의 이종 접합부의 기계적 강도 및 내식성을 향상시키기 위해 수행되었다. SPFC980Y 강철과 Al5052-H32가 각각 모재로써 적용되었고, S20C 강철은 리벳 element로써 음각과 양각의 형상으로 구분되며, Al5052-H32에 전기 저항 스폿 용접을 위해 리벳팅 되어 6.5 kA의 전류와 250 kgf/㎠의 가압력으로 접합되었다. 그 결과, 음각된 S20C element는 스폿 용접 공정 후 불안정한 너깃이 형성되는 반면, 양각된 S20C의 경우, 구조적으로 건전한 접합부로 건전한 내식성 및 탁월한 기계적 특성이 얻어졌다. FEM 시뮬레이션의 도입으로, 음각과 양각의 계면의 접합 특성이 수치적으로 밝혀졌으며, 시뮬레이션 결과는 미세조직 발달 양상을 수치적으로 뒷받침하였다. 이 연구는 element 스폿 용접된 H32-A5052 이종 접합부의 기계적 강도 및 부식 신뢰성에 대해 체계적으로 분석되었으며, 이 공정은 금속재료뿐만 아니라, 경량 비전도성 비철/비금속계 재료에도 적용 될 수 있기 때문에, 차세대 차체 경량화의 양산 기술로 확장 될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined the mechanical strength and corrosion resistance of a dissimilar joint with an aluminum alloy and steel by resistance element spot welding. SPFC980 steels and Al5052 alloys were applied as the base materials. S20C steels were assembled on Al5052 for the riveting element before the electric resistance welding process. The SPFC980-S20C riveted Al5052 was welded at a 6.5 kA current and 250 kgf/㎠. As a result, the engraved S20C elements formed unstable nuggets after the spot welding processes. In contrast, in the embossed S20C elements, exceptional mechanical properties, such as robust corrosion resistance and fatigue resistance, were obtained by structurally sound joints. The correlation between the microstructure and mechanical properties were examined by microstructural investigations and FEM simulations. The corrosion reliability of element spot-welded SPFC980-Al5052 dissimilar joints was investigated systematically.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Schematic descriptions of element spot welding process
그림 Fig. 2. Schematic sketch of Al5052-SPFC980 steel dissimilar joints. (a) 3D modelling and its material assignment (b) top view image and dimension and (c) cross-sectional image of different S20C element geometries
그림 Fig. 3. (a) Tensile and fatigue test machines, (b) high magnification image of (a) and its detail description image for attached specimen
표 Table 1. Chemical composition of base materials
그림 Fig. 4. Microstructure investigation results (a) Schematic illustration of optical microscope image, (b) welding interface of engraved S20C element used spot welding specimen and (c) welding interface of embossed S20C element used spot welding specimen, and (d) its micro-void frequency
그림 Fig. 5. (a) Load-displacement curve after tensile-shear tests (b) high magnification image of rupture part for electric resistance welding joint by engraved S20C element
$Fig. 6. (a) Tensile-shear strength after salt spray corrosion tests and (b) its fractured joint specimen$ 그림 Fig. 6. (a) Tensile-shear strength after salt spray corrosion tests and (b) its fractured joint specimen
그림 Fig. 7. Numerical calculated results of bonding contact processing on the embossed S20C element and engraved S20C element. (a) Boundary condition of the simulation, (b) die tool stress distributions when the material pressed and (c) its force flow behavior of S20C elements
표 Table 2. Mechanical properties of base materials

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 상기 언급된 저항 점 용접의 이슈를 극복하여, 알루미늄 합금-철강의 우수한 물성 특성 구현을 위하여, 이 연구는 Resistance Element spot Welding 프로세스를 도입하여 알루미늄 합금-강철의 이종 접합부의 기계적 강도 및 내식성을 향상 시키고자 수행되었고, 이 과정에서 나타나는 미세조직 발달과 기계적 특성의 주요 특징에 대해 실험적, 수치적으로 논의된다.

제안 방법

S20C 음각 요소 리벳이 적용된 접합부와 양각 요소 리벳이 적용된 접합부의 접합성이 다른 이유를 더 이해 하기 위해 소성가공 유한요소해석(Finite Element Analysis)을 통해 리벳 형상변수에 따른 가압 공정이 시 뮬레이션 되었다. 이를 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 Deform이 도입되었으며, 판상 모재에 형상이 다른 리벳을 가압하는 공정에서 다른 역학적 양상이 수치적으로 계산되었다.
용접된 시험편의 미세조직 평가를 위해 단면 절단 후, SiC계 sand paper를 이용하여 기계적으로 연마하였으며, 최종적으로 Diamond suspension 용액을 이용하여 접합부 단면이 경면 연마되었다. 이후 연마된 단면은 Nital 2 % 용액에 의해 etching 되었으며, 광학현미경 (GX51, OLYMPUS)의 도입으로 결정립 크기, 형상, 기공, segregation 등 미세조직 특성이 관찰되었다.
저항 점용접은 저렴한 비용과 짧은 사이클 시간, 유연성 및 견고성으로 인해 자동차 차체 어셈블리에 가장 널리 사용되는 접합 방법이다[6]. 이 연구에서, 전기전도도가 다른 두 물질에 저항 점용접을 수행하기 위해 Fig. 1과 같이 Al5052에 강철 S20C 복합 금형을 새롭게 전공정으로써 도입하여, SPFC980 강철과 전기전도 특성을 일치시켜 점용접이 구현된다. AC power supply에서 공급되는 전류는 상/하 각각의 전극에 연결되어 하중을 동시에 가하여 저항에 의해 발생되는 열에 의해 접합 계면에 용융 너깃이 형성되어 최종적으로 결합되는 공정이다.
S20C 음각 요소 리벳이 적용된 접합부와 양각 요소 리벳이 적용된 접합부의 접합성이 다른 이유를 더 이해 하기 위해 소성가공 유한요소해석(Finite Element Analysis)을 통해 리벳 형상변수에 따른 가압 공정이 시 뮬레이션 되었다. 이를 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 Deform이 도입되었으며, 판상 모재에 형상이 다른 리벳을 가압하는 공정에서 다른 역학적 양상이 수치적으로 계산되었다. Fig.

대상 데이터

2(b) 는 해당 이미지의 top view를 보여주며, 재료의 형상과 치수가 표시되어 있다. Al5052와 SPFC980 강철, 두 경우 모두 100 mm x 30 mm의 시험편으로 와이어 방전가공에 의해 재단 되었으며, 그 두께는 각각 2.5t 와 1.6t 이다. Fig.
AC power supply에서 공급되는 전류는 상/하 각각의 전극에 연결되어 하중을 동시에 가하여 저항에 의해 발생되는 열에 의해 접합 계면에 용융 너깃이 형성되어 최종적으로 결합되는 공정이다. 이 연구에서 모든 시편은 인가 전류 6.5 kA, 통전 시간 200 ms으로 250 kgf/cm2의 가압력에 의해 접합되었다.
접합된 Al5052-SPFC980 접합부의 내식성 및 기계적 특성을 평가하기 위하여, Fig. 2와 같이 시험편이 준비되었다. Fig.

성능/효과

결과는 Fig. 6(a)과 같으며, 부식에 의해 인장-전단 강도가 점차 감소하는 경향을 보이지만 부식 전과 후 모든 조건에서 9000N 이상의 초기 강도 수준으로 유지되었다. Fig.
S20C 요소의 형상변수로써 도입된 음각 및 양각 타입의 요소 리벳 중에서, 음각 리벳은 기하학적 특성으로 인해 계면에서 너깃의 형성이 제대로 발생되지 않은 반면, 양각 타입의 요소 리벳은 원활한 용융 너깃 형성과 하중 흐름으로 결함 없는 건전하고 미세화 된 미세조직이 유도되었다. 그 결과, 접합 소재는 부식 시험 후에도 약 9000N 에 육박하는 인장-전단 시험결과를 초래하였고, 모재 파단이 아닌, 알루미늄 측 모재에서 파단되는 결과를 나타내었다. 따라서 S20C가 리벳팅 된 Al5052-H32와 SPFC980Y 철강의 element electric resistance welding 프로세스의 도입은 기존의 스폿 용접 라인을 그대로 유지할 수 있고 탁월한 야금학적, 기계적 성질을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 용접 spot의 align 또한 편리하므로, 자동차 구조 어셈블리 산업에서 대량생산으로 확장 될 수 있는 이점이 충분하다.
그 결과, 접합 소재는 부식 시험 후에도 약 9000N 에 육박하는 인장-전단 시험결과를 초래하였고, 모재 파단이 아닌, 알루미늄 측 모재에서 파단되는 결과를 나타내었다. 따라서 S20C가 리벳팅 된 Al5052-H32와 SPFC980Y 철강의 element electric resistance welding 프로세스의 도입은 기존의 스폿 용접 라인을 그대로 유지할 수 있고 탁월한 야금학적, 기계적 성질을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 용접 spot의 align 또한 편리하므로, 자동차 구조 어셈블리 산업에서 대량생산으로 확장 될 수 있는 이점이 충분하다.
양각 요소 리벳이 채택된 시험편은 강도가 9300N에 육박하고, 상대적으로 큰 연신율을 가지는 탁월한 기계적 성능을 나타내었다. 반면, 음각 요소리벳이 적용된 접합부는 양각 리벳보다 현저히 열화된 2000N의 하중영역에서 파단 되며, 변위 또한 상당히 낮으므로, 취성의 특성을 가지는 특성이 관찰되었다. Fig.
Resistance element spot welding 프로세스를 도입하여, S20C 요소 리벳팅 된 Al5052-H32와 자동차용강판인, SPFC980 강철 간의 이종 접합이 성공적으로 수행되었다. 알루미늄 합금-철강 스폿 용접을 위하여, 물성 mismatch 해소를 통한 용접성 및 기계적 성질 개선을 목적으로 도입된 Al5052-H32 판상 S20C 리벳팅 전처리는 부식 및 기계적 특성 발달에 큰 효과를 보였다. S20C 요소의 형상변수로써 도입된 음각 및 양각 타입의 요소 리벳 중에서, 음각 리벳은 기하학적 특성으로 인해 계면에서 너깃의 형성이 제대로 발생되지 않은 반면, 양각 타입의 요소 리벳은 원활한 용융 너깃 형성과 하중 흐름으로 결함 없는 건전하고 미세화 된 미세조직이 유도되었다.
여기서, 범례의 주황색 요소는 양각(embossed S20C), 하늘색 요소는 음각(engraved S20C) 요소 리벳이 적용되어 접합된 시험편의 하중-변위 곡선을 각각 나타낸다. 양각 요소 리벳이 채택된 시험편은 강도가 9300N에 육박하고, 상대적으로 큰 연신율을 가지는 탁월한 기계적 성능을 나타내었다. 반면, 음각 요소리벳이 적용된 접합부는 양각 리벳보다 현저히 열화된 2000N의 하중영역에서 파단 되며, 변위 또한 상당히 낮으므로, 취성의 특성을 가지는 특성이 관찰되었다.
4.1 접합계면 발달 양상

양각의 S20C 강철 리벳요소가 채택되어 접합된 Al5052-SPFC980 이종 접합부는 음각 요소와 동일한 공정 조건에서도 충분한 용융너깃을 형성하고, 결함 없는 건전한 접합부 확보에 효과적이었다. 점 용접 접합 시 툴에 의해 유도되는 금속의 유동은 소재 내부에 큰 순간적인 변형량을 수반하며, 이를 통해 접합되는 소재는 열 공급에 의해 재결정될 수 있는 충분한 변형량을 가지게 된다[10,11].
따라서 완전히 다른 두 합금 시스템을 결합하면 무게, 강도 및 비용 요구 사항을 충족하는 응용 분야가 크게 확장 될 수 있다. 주요 과제는 Fe 및 Al 기반 합금이 융점, 열전도율, 열팽창 계수, 열용량, 화학적 반응성, 상변태 등과 같이 호환 되지 않는 물리적 및 화학적 특성을 가지고 있다는 것이다. 이 불일치된 물성 특성은 이를 위해 기존 용접 프로세스인 gas tungsten arc welding, laser welding, electron beam welding, spot welding 등이 주로 이용되어 왔으나, 이들 용접은 접합부의 미세조직의 발달을 동반한 기계적 물성의 향상에 제한적인 것으로 보고된바 있다[1,2].
4(b)는 음각 S20C 요소 리벳이 적용되어 접합된 단면사진이다. 파란색 화살표는 주요 결함 부위를 나타내고 있으며, S20C 강철과 SPFC980Y 강철의 접합계면이 뚜렷하게 관찰되었다. 이 계면은 영역 1과 2로 구분되며, 영역 1은 완전이 용융되지 않아 접합이 완결되지 않은 부분이고 영역 2는 접합된 영역이다.
또한, 이종 소재의 저항 스폿 용접 프로세스는 서로 다른 전기전도 등 물리적 특성의 mismatch로 인해 용접성 또한 매우 열악하다. 하지만, 이 연구에서 도입된 spot 용접 전 S20C의 철강 요소 리벳팅된 Al5052-H32소재는, 상기 언급된 이종 소재간 물성 mismatch를 해소 하여 IMC 생성을 억제함으로써, 인장-전단강도 뿐만 아니라, 부식 저항성에 효과적인 것으로 확인 되었다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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